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浅谈机电一体化机械系统设计理论 作者黄杰波2012-1-30 31745来源毕业论文网 摘 要机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。本文作者结合教学实践,对机电一体化机械系统设计理论做一个简要分析。 关键词机电一体化 机械系统 理论 中图分类号TH122 文献标识码A 文章编号1672-3791201106a-0109-01 1 机电一体化机械系统的概念 机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的,用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。其核心是由计算机控制的,包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。它的主要功能是完成一系列机械运动,每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成,而这些子系统要由计算机协调和控制,以完成其系统功能要求。机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。 2 机电一体化对机械系统的基本要求 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比,除要求较高的制造精度外,还应具有良好的动态响应特性,即快速响应和良好的稳定性。 2.1 高精度 精度直接影响产品的质量,尤其是机电一体化产品,其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高,因此机电体化机械系统的高精度是其首要的要求。如果机械系统的精度不能满足要求,则无论机电一体化产品其它系统工作再精确,也无法完成其预定的机械操作。 2.2 快速响应 机电一体化系统的快速响应即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。这样系统才能精确地完成预定的任务要求,且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息,下达指令,使其准确地完成任务。 2.3 良好的稳定性 为确保机械系统的上述特性,在设计中通常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要求。此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。 3 机电一体化机械系统的组成 概括地讲,机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。 3.1 传动机构 机电一体化机械系统中的传动机构不仅仅是转速和转矩的变换器,而是已成为伺服系统的一部分,它要根据伺服控制的要求进行选择设计,以满足整个机械系统良好的伺服性能。因此传动机构除了要满足传动精度的要求,而且还要满足小型、轻量、高速、低噪声和高可靠性的要求。 3.2 导向机构 导向机构的作用是支承和导向,为机械系统中各运动装置能安全、准确地完成其特定方向的运动提供保障,一般指导轨、轴承等。 3.3 执行机构 执行机构是用以完成操作任务的直接装置。执行机构根据操作指令的要求在动力源的带动下,完成预定的操作。一般要求它具有较高的灵敏度、精确度,良好的重复性和可靠性。由于计算机的强大功能,使传统的作为动力源的电动机发展为具有动力、变速与执行等多重功能的伺服电动机,从而大大地简化了传动和执行机构。 除以上三部分外,机电一体化系统的机械部分通常还包括机座、支架、壳体等。 4 机电一体化机械系统的设计思想 机电一体化的机械系统设计主要包括两个环节静态设计和动态设计。 4.1 静态设计 静态设计是指依据系统的功能要求,通过研究制定出机械系统的初步设计方案。该方案只是一个初步的轮廓,包括系统主要零、部件的种类,各部件之间的联接方式,系统的控制方式,所需能源方式等。 有了初步设计方案后,开始着手按技术要求设计系统的各组成部件的结构、运动关系及参数；零件的材料、结构、制造精度确定；执行元件如电机的参数、功率及过载能力的验算；相关元、部件的选择；系统的阻尼配置等。以上称为稳态设计。稳态设计保证了系统的静态特性要求。 4.2 动态设计 动态设计是研究系统在频率域的特性,是借助静态设计的系统结构,通过建立系统组成各环节的数学模型和推导出系统整体的传递函数,利用自动控制理论的方法求得该系统的频率特性幅频特性和相频特性。系统的频率特性体现了系统对不同频率信号的反应,决定了系统的稳定性、最大工作频率和抗干扰能力。 4.3 静态设计的优势 静态设计是忽略了系统自身运动因素和干扰因素的影响状态下进行的产品设计,对于伺服精度和响应速度要求不高的机电一体化系统,静态设计就能够满足设计要求。对于精密和高速智能化机电一体化系统,环境干扰和系统自身的结构及运动因素对系统产生的影响会很大,因此必须通过调节各个环节的相关参数,改变系统的动态特性以保证系统的功能要求。动态分析与设计过程往往会改变前期的部分设计方案,有时甚至会推翻整个方案,要求重新进行静态设计。 5 机电一体化机械系统性能分析 为了保证机电一体化系统具有良好的伺服特性,我们不仅要满足系统的静态特性,还必须利用自动控制理论的方法进行机电一体化系统的动态分析与设计。动态设计过程首先是针对静态设计的系统建立数学模型,然后用控制理论的方法分析系统的频率特性,找出并通过调节相关机械参数改变系统的伺服性能。 5.1 数学模型建立 机械系统的数学模型建立与电气系统数学模型建立基本相似,都是通过折算的办法将复杂的结构装置转换成等效的简单函授关系,数学表达式一般是线性微分方程通常简化成二阶微分方程。机械系统的数学模型分析的是输入如电机转子运动和输出如工作台运动之间的相对关系。等效折算过程是将复杂结构关系的机械系统的惯量、弹性模量和阻尼或阻尼比等机械性能参数归一处理,从而通过数学模型来反映各环节的机械参数对系统整体的影响。 建立该系统的数学模型,首先是把机械系统中各基本物理量折算到传动链中的某个元件上,使复杂的多轴传动关系转化成单一轴运动,转化前后的系统总机械性能等效；然后,在单一轴基础上根据输入量和输出量的关系建立它的输入/输出的数学表达式即数学模型。根据该表达式进行的相关机械特性分析就反映了原系统的性能。在该系统的数学模型建立过程中,我们分别针对不同的物理量求出相应的折算等效值。 5.2 机械性能参数对系统性能的影响 机电一体化的机械系统要求精度高、运动平稳、工作可靠,这不仅仅是静态设计机械传动和结构所能解决的问题,而是要通过对机械传动部分与伺服电动机的动态特性进行分析,调节相关机械性能参数,达到优化系统性能的目的。 机械传动系统的性能与系统本身的阻尼比、固有频率有关。固有频率、阻尼比又与机械系统的结构参数密切相关。因此,机械系统的结构参数对伺服系统性能有很大影响。一般的机械系统均可简化为二阶系统,系统中阻尼的影响可以由二阶系统单位阶跃响应曲线来说明。在系统设计时,应综合考其性能指标,一般取欠阻尼系统,既能保证振荡在一定的范围内,过渡过程较平稳,过渡过程时间较短,又具有较高的灵敏度。 参考文献 [1] 李建勇.机电一体化技术[M].北京科学出版社,2004. [2] 尤惠媛,李武兴.机电一体化的应用现状与发展趋势[J].太原科技,20079. 你可能感兴趣的毕业论文 实现企业机电一体化促进机械制造业发展 本科院校机电一体化系统设计课程教学改革研究 技工院校的机电一体化实验教学改革 试论技校机电一体化教学改革 在机电一体化课程中应用项目化教学法的教学体会